CN106827545A

CN106827545A - 基于ct扫描透明透水混凝土试件3d打印方法

Info

Publication number: CN106827545A
Application number: CN201710064241.6A
Authority: CN
Inventors: 张炯; 马国栋; 明瑞平; 李莉; 崔新壮; 刘彩
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2017-02-04
Filing date: 2017-02-04
Publication date: 2017-06-13
Anticipated expiration: 2037-02-04
Also published as: CN106827545B

Abstract

本发明公开了一种基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法，采集透水混凝土试块，将其进行CT扫描，生成二维切片图，对二维切片图进行灰度处理，利用不同的灰度级别表征不同颜色的分布，并进行滤波和降噪处理；根据处理后的二维图片，利用三维可视化技术进行三维模型重构；根据体素和图片的数量相乘进行计算需要的试块模型的尺寸，依照计算的尺寸对重构的三维模型进行裁剪；将裁剪后的模型采用二值化分割，提取骨料结构，将得到的透水混凝土骨料模型利用3D打印技术，逐层打印透水混凝土试件。本发明将原始透水混凝土试件通过CT扫描、3D建模、3D打印技术最终生成透明的透水混凝土材料，对于研究透水混凝土的堵塞机理和过程十分有帮助。

Description

基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法

技术领域

本发明具体涉及一种基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法。

背景技术

目前海绵城市建设中大量使用了透水路面，包括透水混凝土、透水砖以及透水沥青等材料，相关的实验如透水混凝土泥沙堵塞过程中孔隙率的测量等原位测试比较麻烦，通过CT扫描结合3D建模3D打印可以快速进行透水材料相关物理参数包括孔隙率、渗透性等的测试和实验，解决工程实际应用中的问题。

传统的透水混凝土制备过程要先确定透水混凝土的水灰比，骨灰比等参数，在搅拌机中先加入粗骨料和一半的水，等骨料表面被湿润后再加入水泥和水机械搅拌，最后机械振捣20s成型，在模具中进行养护。然而由于混凝土粗骨料材料不透明，而孔隙结构又是随机分布的，有可联通的孔隙，也有不联通的孔隙，如何深入对其内部的孔隙结构和孔隙堵塞机理进行微观研究和观察就成为困扰研究人员的一大难题。

如果利用3D打印新材料将试件制作成透明的，则可以方便的观察到泥沙在透水混凝土中堵塞的过程，研究堵塞的机理。

3D打印混凝土技术目前可以利用水泥，砂子，水，添加剂等原材料打印出透水混凝土试块，但是成本高，技术困难，其成型的透水混凝土产品强度，抗压抗折力学性能与传统搅拌浇筑工艺生产的透水混凝土试块相比，有一定的差异。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法，本发明能够将原始透水混凝土试件通过CT扫描，3D建模，3D打印技术最终生成透明的透水混凝土材料，对于研究透水混凝土的堵塞机理和过程十分有效。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法，包括以下步骤：

(1)采集透水混凝土试块，将其进行CT扫描，生成二维切片图；

(2)对二维切片图进行灰度处理，利用不同的灰度级别表征不同颜色的分布，并进行滤波和降噪处理；

(3)根据处理后的二维图片，利用三维可视化技术进行三维模型重构；

(4)根据体素和图片的数量相乘进行计算需要的试块模型的尺寸，依照计算的尺寸对重构的三维模型进行裁剪；

(5)将裁剪后的模型采用二值化分割，提取骨料结构，将得到的透水混凝土骨料模型利用3D打印技术，逐层打印透水混凝土试件。

所述步骤(1)中，海绵城市施工过程的实验路段，采集透水混凝土试块，将其在干燥条件下进行CT扫描。

优选的，为使建立的透水混凝土模型比较合适，采集圆柱体透水混凝土试块。

进一步的，圆柱体透水混凝土试块的尺寸为高度15-30cm高，直径8-15cm。

进一步的，CT扫描利用x射线三维显微镜进行，选择旋转扫描方式，得到CT扫描产生的二维切片图。

所述步骤(2)中，扫描的图片在灰度模式下即用256级灰度来表示颜色的分布，对切片进行滤波降噪处理。

所述步骤(2)中，采用中值滤波方法进行滤波。

当然，本领域技术人员在本发明的工作原理的启示下，可以将中值滤波方法替换为均值滤波等其他常用滤波方法，这种简单替换属于不需要付出创造性劳动的，理应属于本发明的保护范围。

所述步骤(3)中，根据需要将圆柱体的试块裁剪成长方体。

所述步骤(3)中，根据CT扫描的仪器不同，扫描生成的每张图片的体素也不同。

所述步骤(3)中，根据扫描的每张切片体素尺寸，乘以X,Y,Z方向切片的张数得到透水混凝土三个方向的尺寸。

所述步骤(4)中，将裁剪后的模型采用二值化分割，灰度值小于设定阈值的点为透水混凝土孔隙结构，大于设定阈值的为骨料结构。

所述步骤(5)中，通过分水岭算法提取出骨料。

所述步骤(5)中，为防止过度分割，根据先验知识，即扫描图片中黑色的部分为孔隙结构，灰色的部分为骨料。

所述步骤(5)中，根据先验知识与分割情况是否相符，多次进行分割尝试，使分割结果最接近真实情况。

所述步骤(5)中，导出STL格式的透水混凝土骨料模型利用3D打印技术，采用高粘结性的透明塑料材料，如热塑性粉末、热塑性塑料、光敏聚合物或液态树脂，逐层打印透水混凝土试件。

如果想研究透水性和泥沙堵塞机理，透水混凝土的透水性和耐久性(抗堵塞能力)在实际生产使用中是非常关心的一个指标，透水混凝土的力学性能等其他指标对实验的影响可以忽略。因此采用树脂外加透明材料，利用3D打印技术打印透明的透水混凝土，重点观察透水效果和泥沙堵塞效果，成本低效率快，观察效果明显。

当然，可以根据具体的研究对象或情况，更改打印材质，属于本领域技术人员容易想到的简单替换。

本发明的有益效果为：

本发明将原始透水混凝土试件通过CT扫描、3D建模、3D打印技术最终生成透明的透水混凝土材料，对于研究透水混凝土的堵塞机理和过程十分有帮助。

同时，本发明通过CT扫描结合3D建模3D打印生成的试件，重复的应用于同一透水混凝土的实验研究，用于反复研究控制变量，研究同一因素对缩尺实验的影响，更精确高效。

通过本发明3D打印成型同一批次的透水混凝土试件，重复地应用于某一实验，在测试试件透水性和孔隙率的实验中可以更好的控制变量，达到更好的实验效果，比传统的透水混凝土浇筑和振捣方法生产的透水混凝土差异大具有优势。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的整体操作流程示意图。

图2是本发明的提取骨料流程示意图。

图3是本发明的提取出的骨料模型示意图。

图4(a)-图4(d)是本发明的分割示意图。

图5是本发明的建立的透明试块示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中打印的透水混凝土试件不透明，无法对其深入对其内部的孔隙结构和孔隙堵塞机理进行微观研究和观察，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法。

对于海绵城市施工过程的实验路段，可以采集20cm高，直径10cm的圆柱体透水混凝土试块，将其在干燥条件或浸水饱和条件下进行CT扫描，CT扫描可以利用x射线三维显微镜等设备进行，选择旋转扫描方式，将CT扫描产生的二维切片图(如图1所示)，在三维可视化软件分析处理。

三维可视化分析与处理

扫描的图片在灰度模式下即用256级灰度来表示颜色的分布，对切片进行中值滤波降噪处理，使图像更加清晰。

中值滤波数学公式：

Yi＝Med{fi-v,…,fi-1,fi,fi+1,…,fi+v}i∈N v＝(m-1)/2

Yi称为序列fi-v,…,fi-1,fi,fi+1,…,fi+v的中值

扫描的图片数据可以达到几G至十几G，需要裁剪模型，使模型适合处理，根据需要可以将圆柱体的试块裁剪成长方体。

当然，本领域技术人员在本发明的工作原理基础上，能够结合本领域的公知常识，将滤波方法替换为其他方法。

如平滑空间的均值滤波方法，锐化空间的锐化滤波方法，卷积滤波等等，或根据透水混凝土试件的用途，使用多个滤波方法相融合叠加等方法。

同时，进行灰度化的方法也可以替换为其他方法，如分量法、最大值法、平均值法以及加权平均值法。

模型的尺寸是根据体素和图片的数量相乘进行计算，根据CT扫描的仪器不同，扫描生成的每张图片的体素也不同。此次扫描的每张切片体素尺寸是0.142538*0.142538*0.142538[mm]，乘以X,Y,Z方向切片的张数得到透水混凝土三个方向的尺寸。裁剪模型也可以去除透水混凝土损坏的边角材料。将裁剪后的模型采用二值化分割(附图4)，灰度值小于某一阈值的点为透水混凝土孔隙结构，大于某一阈值的为骨料结构。

二值化公式：

T₀是分割的阈值，u(x₁,x₂)是原始图像的灰度值，g(x₁,x₂)是二值化后输出的图像灰度值。

然后再提取透水混凝土骨料的数据，将大于上述T₀阈值的骨料通过分水岭算法提取出来。

分水岭算法：

g(x,y)＝grad(f(x,y))＝1/2{[f(x,y)-f(x-1,y)]2[f(x,y)-f(x,y-1)]2}

f(x,y)表示原始图像，grad{}表示梯度运算。

为防止过度分割，根据先验知识，即扫描图片中黑色的部分为孔隙结构，灰色的部分为骨料，如图3所示。分割时，如图4所示，A部分为提取出来的骨料结构，B部分是保留的孔隙结构，C部分是分割边界。根据先验知识与分割情况是否相符，多次进行分割尝试，使其最接近真实情况。最后导出STL格式的透水混凝土骨料模型利用3D打印技术，采用高粘结性的透明塑料材料，逐层打印透水混凝土试件。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法，其特征是：包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法，其特征是：所述步骤(1)中，海绵城市施工过程的实验路段，采集透水混凝土试块，将其在干燥或浸水饱和条件下进行CT扫描。

3.如权利要求1所述的一种基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法，其特征是：所述步骤(2)中，扫描的图片在灰度模式下即用256级灰度来表示颜色的分布，对切片进行滤波降噪处理。

4.如权利要求1所述的一种基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法，其特征是：所述步骤(2)中，采用中值滤波方法进行滤波。

5.如权利要求1所述的一种基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法，其特征是：所述步骤(3)中，根据需要将圆柱体的试块裁剪成长方体。

6.如权利要求1所述的一种基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法，其特征是：所述步骤(3)中，根据扫描的每张切片体素尺寸，乘以X,Y,Z方向切片的张数得到透水混凝土三个方向的尺寸。

7.如权利要求1所述的一种基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法，其特征是：所述步骤(4)中，将裁剪后的模型采用二值化分割，灰度值小于设定阈值的点为透水混凝土孔隙结构，大于设定阈值的为骨料结构。

8.如权利要求1所述的一种基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法，其特征是：所述步骤(5)中，通过分水岭算法提取出骨料。

9.如权利要求1所述的一种基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法，其特征是：所述步骤(5)中，为防止过度分割，根据先验知识，即扫描图片中黑色的部分为孔隙结构，灰色的部分为骨料。

10.如权利要求1所述的一种基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法，其特征是：所述步骤(5)中，根据先验知识与分割情况是否相符，多次进行分割尝试，使分割结果最接近真实情况。